Придали ускорение: как с помощью адронного коллайдера создают физику будущего

17 сентября 2018

Ровно 10 лет назад в истории современной физики (а заодно, возможно, и всего прогрессивного человечества) открылась новая глава: 10 сентября 2008 года в ЦЕРН официально объявили о запуске Большого адронного коллайдера. В работе одного из самых амбициозных проектов эпохи принимают участие ученые почти из сотни стран — в том числе и из России. Одна из главных организаций, которые представляют нашу страну среди участников исследований, — НИЦ «Курчатовский институт».

В поисках физики будущего

Если говорить сухим научным языком, Большой адронный коллайдер (БАК) — гигантская установка, предназначенная для придания ускорения заряженным протонам (их называют адронами — отсюда и название установки) и ионам. Разгоняясь, частицы сталкиваются друг с другом — как раз результаты их соударений и исследуют ученые.

Правда, вскоре после запуска стало очевидно, что БАК — явление не только и не столько научное, сколько философское. Для кого-то его запуск стал символом науки будущего, для кого-то — предвестником едва ли не конца света. Ажиотаж понятен: те, кто от физики в целом был далек (то есть большинство тех, кто видел и обсуждал новости о запуске коллайдера), не могли остаться равнодушными к масштабам развернувшегося под Женевой действа.

БАК сегодня считается самой крупной научной установкой в мире: длина подземного тоннеля, в котором и располагается труба ускорителя, составляет 27 км. Его конструкция предусматривает использование сразу семи мощных детекторов: четыре основных, расположенных недалеко от точек столкновения пучков, и три вспомогательных. Энергия, которая необходима для его работы, составляет почти 10% годовых энергозатрат всего кантона Женевы (он, между прочим, включает в себя 45 коммун, а его площадь составляет почти 300 кв. км).

Продолжая традиции Курчатова

Внимание научного сообщества к нему тем более понятно: Большой адронный коллайдер изначально создавался для того, чтобы уточнить, расширить или опровергнуть господствующую сегодня Стандартную модель. Она была создана в начале 1990-х годов и фактически должна была сменить теорию относительности Эйнштейна. Достичь этого не удалось, и сейчас вся фундаментальная физика использует сразу две общепринятые теории: Стандартную модель и эйнштейновскую теорию относительности.

Считается, впрочем, что за Стандартной моделью стоят намного более глубокие и пока неизученные явления, которые называют новой физикой. Так что главная цель БАК — помочь ученым сделать шаг по направлению к «новой физике».

Мировая сборная по большой науке 

Работает Большой адронный коллайдер недалеко от границы Швейцарии и Франции, на территории Европейской организации по ядерным исследованиям.

Организация, больше известная под аббревиатурой ЦЕРН, существует с середины 1950-х годов и сегодня насчитывает чуть больше 20 стран-участниц, не считая государств-наблюдателей, которые тоже активно участвуют в работе лаборатории. Именно к таким, например, уже несколько лет относится Россия.

Постоянный штат ЦЕРН включает около 3 тыс. сотрудников, в то время как к работе над проектами здесь привлекают больше 6 тыс. ученых (в основном, физиков) из десятков стран.

Большой адронный коллайдер — самый масштабный проект в истории организации, а потому обладает особым статусом. Он объединил усилия почти 10 тыс. ученых более чем из 100 стран, и потому смело может претендовать на звание так называемого меганаучного проекта.

В первую очередь, с коллайдером работают ученые, занимающиеся физикой высоких энергий. Существенная часть этих специалистов — отечественные физики. С российской стороны работу над проектами, связанными с БАК, координирует научно-исследовательский центр «Курчатовский институт». Именно на его базе сейчас функционирует компьютерный центр, с помощью которого обрабатывают данные, полученные в результате экспериментов, проведенных на Большом адронном коллайдере.

От первого реактора к адронному коллайдеру

Причастность Курчатовского института к проекту подобного масштаба вполне может считаться исторической закономерностью. Ведь в 1940-е годы здесь началась история всей советской атомной физики.

Тогда, в 1946 году, в небольшой лаборатории, созданной Игорем Курчатовым, смонтировали Ф-1. Это был первый в Евразии атомный реактор и, возможно, один из первых в мире проектов, связанных с так называемой меганаукой. То есть наукой национального, а позднее и транснационального масштаба, требующей гигантских инвестиций и, в то же время, способной решать глобальные проблемы человечества.

Реактор Ф-1, кстати, в Москве существует до сих пор на территории института, который с момента его запуска успел существенно измениться. Из небольшой засекреченной лаборатории № 2 он за несколько десятилетий превратился в крупнейшую российскую научную площадку, объединяющую большую часть ресурсов всего ядерно-физического комплекса страны.

Впрочем, после взлета 1960-х годов пришел упадок 1990-х. Ученые, долгое время считавшиеся элитой советского общества, привыкшие к почету и определенному достатку, стали уезжать. Потеря для отечественной науки была существенной, но именно это во много позволило сформировать платформу для дальнейшей работы отечественных научных центров на мировой арене.

«В силу объективных причин существенная доля отечественного научного потенциала в те годы оказалась востребована в первую очередь на Западе, а не в России. И это был своеобразный «дарвиновский отбор» — стало понятно, какая именно часть советской науки наиболее конкурентоспособна в мире»,

— позднееобъяснял Михаил Ковальчук, физик, сначала директор, а затем президент НИЦ «Курчатовский институт». 

Так отечественные исследовательские центры смогли сконцентрировать усилия на подготовке специалистов именно в тех областях, которые были сильнее всего востребованы на мировой арене. И уже спустя несколько лет сами организации и их сотрудники стали неотъемлемыми участниками международных исследовательских программ.

На пути к меганауке

Активно сотрудничать с ЦЕРН Россия начала еще в начале 2000-х годов — до запуска коллайдера. В 2003 году правительство РФ и руководство ЦЕРН подписали соглашение о дальнейшем развитии научно-технического сотрудничества в области физики высоких энергий. А в 2012 году директор ЦЕРН Рольф-Дитер Хойн прибыл в Россию, где в том числе посетил и лаборатории Курчатовского института.

По его словам, уже на тот момент в экспериментах ЦЕРН принимали участие около 800 отечественных ученых. И тем важнее, по мнению Хойна, был тот факт, что большинство исследовательских ресурсов в отечественной физике были сконцентрированы в стенах Курчатовского института — это облегчало процесс взаимодействия и позволяло лучше координировать усилия. Однако особо в своей речи он тогда отметил участие России в создании коллайдера.

«Роль России колоссальна не только в экспериментальной части, но и в строительстве коллайдера в целом. Технические сотрудники, инженеры, электронщики и другие российские специалисты принимали участие в создании БАК», — подчеркнул тогда директор ЦЕРН. 

До последнего момента масштабные научно-технические проекты были историей не только про романтику открытий, но (иногда едва ли не в большей степени) и про государственный престиж.

«Сами по себе научные мегаустановки, их наличие в той или иной стране — это своего рода знак принадлежности к высокотехнологичному миру. Любое государство, которое делает шаги в этом направлении, начинает именно с этого. Наличием такой установки вы заявляете, что можете ее содержать и обслуживать», — объяснял Михаил Ковальчук несколько лет назад в интервью «Российской газете».

Однако времена меняются, и реализовать проекты, подобные тому же Большой адронному коллайдеру, уже не под силу одному государству. Поэтому его работа сегодня — вопрос престижа одновременно для нескольких научных держав, активно занятых в развитии проекта. В декабре 2017 года стало известно, что Россия выделит 169 млн рублей организации на модернизацию коллайдера. Еще больше — около 300 млрд рублей — получат российские научные организации, РАН и Курчатовский институт, которые будут поставлять оборудование для установки.

Впрочем, для самого Курчатовского института международные проекты работой с БАК не ограничиваются. С начала 2010 годов научно-исследовательский центр является координатором российского участия, в том числе в исследованиях на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах в Гамбурге, в работе с Европейским источником синхротронного излучения в Гренобле и в экспериментах, которые проводятся на Международном термоядерном реакторе во французском Кадараше. Превращаясь, таким образом, из крупного национального исследовательского центра в центр развития меганауки — или науки будущего.